[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb einer Förderung in einem Bohrloch.
Sie betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Förderung eines Fluids in einem
Bohrloch, bei welchem in dem Bohrloch bei Tiefbohrungen die Lage einer Spiegelteufe
erfasst wird, wobei eine Druckmessung des Druckes am Kopf des Bohrloches vorgenommen
wird, aus dem gemessenen Druck am Kopf des Bohrloches und der ermittelten Lage der
Spiegelteufe der Druck in der Flüssigkeit unterhalb der Spiegelteufe im Bohrloch bestimmt
wird, und die Bestimmung dieses Drucks zur Regelung der Leistung einer Fördereinrichtung
für die zu fördernde Flüssigkeit eingesetzt wird.
[0002] Bohrlöcher dienen insbesondere zum Erschließen und Fördern von Rohöl oder Erdgas
aus unterirdischen Lagerstätten. Diese erstrecken sich in horizontaler und vertikaler
Richtung häufig über einen größeren Flächenbereich, so dass eine Vielzahl von Bohrlöchern
für jede einzelne Lagerstätte eingesetzt wird, um das Rohöl oder das Erdgas aus den
Lagerstätten zu gewinnen.
[0003] Im tiefsten Bereich des Bohrlochs befindet sich das gewünschte Medium, also insbesondere
Rohöl oder Erdgas. Dieses Medium wird mittels Pumpen oder anderer Fördereinrichtungen
gefördert. Für das so entnommene Medium strömen von den Seiten und von unten weitere
Rohöl- oder Erdgasmengen nach. Die Oberfläche der Fluide wird als Spiegelteufe bezeichnet.
[0004] Für den Betrieb der Förderung in einem Bohrloch sind eine Reihe von Randbedingungen
von Interesse, insbesondere die genaue Lage der Spiegelteufe im Bohrloch. Diese befindet
sich einige hundert oder häufiger mehrere tausend Meter tief und ist daher nur schwierig
zu bestimmen, da sich oberhalb der Flüssigkeit kein ideales Gas, sondern eine recht
komplizierte und auch wechselnde Mischung befindet.
[0005] Eine Regelvorrichtung, die sich mit der Spiegelteufe beschäftigt, wird bereits in
der
US-A-3,965,983 beschrieben. Eine Schallwelle wird im Bohrloch fokussiert, die auf die Fluidoberfläche
trifft und wieder zu einem Empfänger benachbart zum Bohrlochkopf zurückläuft. Aus
der Zeitdauer der Welle wird eine ungefähre relative Position der Spiegelteufe relativ
zur Pumpe ermittelt. Über die ungefähre relative Position der Spiegelteufe relativ
zur Pumpe hinaus werden keine weiteren Daten für das Bohrloch ermittelt.
[0006] Ein weiterer Vorschlag ist aus der
US 2006/0102346 A1 bekannt. Mittels eines Druckimpulses, der in der geförderten Flüssigkeit erzeugt
und transportiert wird, wird ein an Gegenständen reflektierter Impuls innerhalb der
Bohrung lokalisiert. Als Förderelement wird ein Kolben eingesetzt, der die detektierten
Druckimpulse und reflektierten Druckimpulse zu einem Signal umwandelt, um nähere Angaben
über den Zustand des Bohrlochs zu erhalten. Die
US 2002/084071 A1 betrifft ebenfalls ein Messsystem zur Bestimmung der Position eines Plungers innerhalb
eines Förderstrangs.
[0007] In der Fachwelt werden solche Konzepte als tubing plunger bezeichnet. Durch das Öffnen
und Schließen von Zugängen in der Förderleitung werden Druckdifferenzen ober- und
unterhalb des Kolbens erzeugt bzw. ausgeglichen und mittels Schwerkraft der Kolben
bewegt.
[0008] Derartige Konzepte sind in erster Linie bei der Gasförderung von stark verwässerten
Erdgasfördersonden einsetzbar.
[0009] Aus der
EP 2 169 179 B1 und der
US-A-8,902, 704 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung der Lage der Spiegelteufe in
einem Bohrloch bekannt. Diese Vorrichtungen und das mit ihnen betriebene Verfahren
werden mit großem Erfolg vielfach eingesetzt. Bei einem Absinken der Spiegelteufe
unter ein bestimmtes Maß hinweg würde nämlich das Bohrloch trocken fallen, was natürlich
nicht erwünscht ist. Andererseits ist erwünscht, eine möglichst große Menge an Rohöl
aus einem Bohrloch entnehmen zu können. Dadurch, dass jetzt die Spiegelteufe bestimmt
werden kann, ist hier eine deutliche Verbesserung möglich.
[0010] Aus der
US 5,200,894 A und der
US 5,285,388 A sind Auswertungsverfahren akustischer Signale zur Bestimmung der Spiegelteufe bekannt,
die mit der Auswertung von Signalen nach früherer Spiegelmesstechnologie arbeiten.
[0011] Die verbesserte Kenntnis der Lage der Spiegelteufe in einem Bohrloch ist auch deshalb
so wertvoll, weil die Förderstätten von Rohöl oder Erdgas vielfach in klimatisch oder
aus anderen Gründen ungünstigen Regionen liegen. Im Regelfall gibt es keine Bedienungspersonen
in der Nähe der Förderstätte, also des Bohrlochs, und es ist häufig erwünscht, die
Bohrlöcher über einen möglichst langen Zeitraum auch automatisch arbeiten zu lassen.
Eine Überprüfung der Situation am Bohrloch findet daher nur in größeren Zeitabständen
statt. Das gleiche gilt für eine neue Einstellung oder Kontrolle am Bohrloch.
[0012] Jeder Besuch am Bohrloch ist daher mit relativ hohen Kosten und Aufwendungen für
Anreise und Transport verbunden und es ist erwünscht, die Automatisierung nach Möglichkeit
weiter fortzusetzen.
[0013] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung und ein Verfahren vorzuschlagen,
die eine weitere Möglichkeit bieten, den Betrieb einer Erdöl- oder Erdgasförderung
in einem Bohrloch weiter zu verbessern oder zu automatisieren.
[0014] Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
[0015] Die Lösung der Aufgabe beinhaltet Verfahrensschritte konzipiert so, dass eine Druckmessung
des Druckes am Kopf des Bohrloches vorgenommen wird, dass aus dem gemessenen Druck
am Kopf des Bohrloches und der ermittelten Lage der Spiegelteufe der Druck in der
Flüssigkeit unterhalb der Spiegelteufe im Bohrloch bestimmt wird, und dass die Bestimmung
dieses Drucks zur Regelung der Leistung einer Fördereinrichtung für die zu fördernde
Flüssigkeit eingesetzt wird.
[0016] Eine weitere Lösung der Aufgabe stellt eine Anordnung vor, wobei diese Anordnung
so konzipiert wird, dass eine Druckmesseinrichtung oberhalb der Erdoberfläche zur
Messung des Druckes im Kopf des Bohrloches vorgesehen ist, dass eine Vorrichtung zur
Erkennung der Lage der Spiegelteufe vorgesehen ist, dass eine Auswerteeinrichtung
vorgesehen ist, der die Werte der Druckmesseinrichtung und der Vorrichtung zur Erkennung
der Lage der Spiegelteufe zugeführt werden, und dass die Auswerteeinrichtung einer
Steuerung der Fördereinrichtung aus den Eingabedaten ermittelte Werte zuführt.
[0017] Die Erfindung macht von einem Gedanken Gebrauch, der aus praktischen Gründen bisher
noch nicht für den Betrieb einer Förderung in einem Bohrloch herangezogen worden ist.
Dieser weitere interessante Aspekt ist der Druck, der sich in der Flüssigkeit im Bohrloch
aufbaut. Dieser Druck ist jedoch bisher in der Praxis nicht bestimmbar.
[0018] Zwar besteht auch bisher schon die Möglichkeit, den Druck im Kopf des Bohrloches
oberhalb der Erdoberfläche zu bestimmen, dieser Druck ist jedoch keinesfalls gleich
dem Druck in einer Flüssigkeit unten im Bohrloch.
[0019] Das Einbringen von geeigneten Sensoren zur Messung des Druckes in ein viele hundert
oder tausend Meter tiefes Bohrloch ist jedoch jedenfalls mit ganz erheblichen Kosten
verbunden. Darüber hinaus würde die Vornahme einer solchen Druckmessung durch das
Einbringen eines Sensors den Ausbau der Pumpe notwendig machen und die Förderung stören,
die also dazu unterbrochen werden müsste. Das aber würde wiederum genau die Werte
verändern, die gerade bestimmt werden sollen, da sich die äußeren Randbedingen ändern.
Darüber hinaus wäre dies ein nicht automatisierbarer und somit aufwändiger Vorgang.
[0020] Ebenso ist das Einbringen von Sensoren etwa beim Bohren des Bohrloches sehr erschwert,
da das Bohren behindert wird. Bereits eine Funktionsüberprüfung oder gar Reparatur
derartiger Drucksensoren wäre darüber hinaus sehr problematisch.
[0021] Erfindungsgemäß wird jedoch trotz dieser ganz erheblichen und zu recht bestehenden
Vorurteile gegenüber einer Druckbestimmung der Flüssigkeit im Bohrloch gerade eine
Druckbestimmung jetzt genutzt, um eine weitere Automatisierung beim Betrieb einer
Förderung von Erdöl oder Erdgas in einem Bohrloch zu ermöglichen. Diese Druckbestimmung
erfolgt allerdings erfindungsgemäß ganz anders, als dies in den oben erwähnten unpraktikablen
theoretischen Überlegungen eines Fachmanns vielleicht für denkbar gehalten wird.
[0022] Gerade die jetzt bestehende neue Möglichkeit, die exakte Lage der Spiegelteufe für
die Flüssigkeit im Bohrloch festzustellen, gibt nämlich durch einige zusätzliche Überlegungen
auch eine Chance, einen Wert für den Druck der Flüssigkeit unterhalb der Spiegelteufe
im Bohrloch zu bestimmen. Diese Bestimmung kann in Echtzeit erfolgen und die Bestimmung
des Druckes kann dann auch dazu genutzt werden, in einer Auswertung die Daten nicht
nur mitzuteilen, sondern auch gleich für die Steuerung der Pumpe einzusetzen.
[0023] Dabei ist es ein weiterer großer Vorteil, dass zu den Auswerteeinheiten, die für
die Bestimmung der Lage der Spiegelteufe einzusetzen sind, diese zusätzlichen Erkenntnisse
über den Druck innerhalb der Flüssigkeit nicht zu übergroßen zusätzlichen Kosten führen,
sondern sich in praktischer und zuverlässiger Form als ergänzendes Aggregat einsetzen
lassen.
[0024] Da die gesamten zusätzlichen Elemente und Geräte oberhalb der Erdoberfläche eingebaut
werden können und gerade keine Drucksensoren mehr im Bohrloch selbst erfordern, ist
auch eine etwaige Reparatur oder Wartung sehr einfach und kann gleich mit den Wartungen
der Elemente der Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Spiegelteufe zusammen durchgeführt
werden. Selbst ein Ersatz etwaiger Elemente ist damit vergleichsweise kostengünstig.
[0025] Es ergibt sich ein optimiertes System zur Durchführung automatischer Einstellungen
bei Förderanlagen, insbesondere von Pumpen in Bohrlöchern für die Erdölförderung.
Das optimierte System ist gestützt auf ein neues Verfahren zur Bestimmung des Drucks
im Inneren eines Bohrloches aus den Bestimmungen für die Lage der Spiegelteufe und
den Messungen für den Druck im Kopf des Bohrloches oberhalb des Erdbodens.
[0026] Eine entsprechende Anlage für ein solches optimiertes System weist eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Lage der Spiegelteufe und zusätzlich eine Druckmesseinrichtung
für die kontinuierliche Messung des Druckes im Kopf des Bohrloches auf. Vorzugsweise
wird eine variable Geschwindigkeitssteuerung für die Durchflussgeschwindigkeit der
Pumpe eingesetzt. Bevorzugt werden dabei elektrische Tauchkreiselpumpen oder Gestängetiefpumpen
verwendet.
[0027] Bei der Bestimmung des Druckes im Bohrloch sind zwei unterschiedliche Situationen
in Betracht zu ziehen. Es handelt sich zum Einen um einen stabilen Zustand und zum
Anderen um einen Übergangszustand. Während des Betriebes entsteht der stabile Zustand
oder auch Gleichgewichtszustand oder Dauerzustand bei einem Betrieb in Pumpanlagen
dann, wenn ein konstanter Flüssigkeitsspiegel, also eine konstante Spiegelteufe, aufrechterhalten
wird, während Flüssigkeiten und/oder Gase bei nahezu konstanten Förderraten gefördert
werden.
[0028] Wird dagegen die Pumpe abgeschaltet, so beginnt eine Aufbauphase für den Druck und
Übergangszustände treten ein. Bei diesen Übergangszuständen ist die Spiegelteufe bzw.
der Flüssigkeitsspiegel nicht mehr konstant und steigt an, und zwar insbesondere bei
Tiefbohrungen in einem Ringraum, der das eigentliche Förderrohr umgibt. Da der Druck
am Bohrlochzuflusspunkt ansteigt, weil der Gegendruck oder Rückdruck in dem Ringraum
mit der ansteigenden Flüssigkeitssäule ebenfalls ansteigt, nimmt der Flüssigkeitszufluss
in das Bohrloch immer weiter ab bis ein statisches Gleichgewicht erreicht ist und
die Spiegelteufe stabilisiert.
[0029] Erfindungsgemäß wird nun bevorzugt ein numerisches Verfahren eingesetzt, um den Druck
im Bohrloch bzw. den Druck in der Eintrittstiefe in einem stabilen Zustand und in
einem Übergangszustand aus den Messungen der Spiegelteufe und den Messungen des Druckes
im Kopf des Bohrloches zu berechnen. Zusätzliche Eingangsparameter in die Berechnung
sind die Zuflussraten an Flüssigkeit, also insbesondere an Rohöl und Wasser, die Zuflussrate
an Gas, die Neigung des Bohrloches längs der Bohrung, die Innendurchmesser und Außendurchmesser
des Ringraumes und die Flüssigkeitseigenschaften. Letzteres sind u. a. die Wasser-,
Öl- und Gasdichten als Funktion des Druckes und die Oberflächenspannungen zwischen
Öl und Gas. Diese Daten sind aber bekannt bzw. können bei Langzeitbeobachtungen festgestellt
werden, beispielsweise aus der regelmäßig förderbaren Rohölmenge je Zeiteinheit.
[0030] Unter den Bedingungen eines stabilen Zustandes mit konstanten Förderraten, konstanter
Spiegelteufe und konstantem Druck im Kopf des Bohrloches wird der Druck der Flüssigkeit
im Bohrloch bestimmt aus Messungen des Druckes im Bohrlochkopf und der Lage der Spiegelteufe
und die ermittelten durchschnittlichen Druckgradienten in den Flüssigkeits- und Gassäulen.
Die durchschnittlichen Druckgradienten der Flüssigkeits- und Gassäulen werden aus
Standardbeziehungen erhalten, die in der Ölindustrie angewandt werden, beispielsweise
aus den so genannten Duns und Ros Beziehungen. Eingangsparameter für die Beziehungen
der Druckgradienten sind die Strömungsgeschwindigkeiten, das Verhältnis von Gas zu
Öl (auch als Gas Oil Ratio, GOR bezeichnet) und die Flüssigkeitseigenschaften, also
die Dichte in Abhängigkeit vom Druck.
[0031] Dieses Verfahren wird für jede einzelne Messung der Spiegelteufe in den Bedingungen
eines stabilen Zustandes durchgeführt.
[0032] Die grundsätzliche Komplexität beim Bestimmen des Druckes im Inneren des Bohrloches
von Tiefbohrungen bei Übergangsbedingungen entsteht dann, wenn in einer gashaltigen
Flüssigkeitssäule freies Gas aufsteigt. Der Vorgang des Aufsteigens von Gasblasen
durch eine Flüssigkeitssäule hat einen wichtigen Effekt auf den Druckgradienten. Der
Vorgang des Aufsteigens von Gasblasen durch eine Ölflüssigkeitssäule ist sehr komplex
und das Modell nicht einfach, aber bekannt. Die Flüssigkeiten betreten das Bohrloch
und trennen sich aufgrund ihrer Dichte. Freie Gasblasen wandern aufwärts und lassen
die schweren Komponenten hinter sich. Es entsteht Öl im Gleichgewicht und gelöstes
Gas, wobei freies Gas hindurchwandert.
[0033] Übergangszustände entstehen durch das Abschalten der Pumpen. Dadurch wird es dem
Ringraum um den eigentlichen, mit Rohöl gefüllten Förderstrang erlaubt, sich mit Flüssigkeit
zu füllen. Die ansteigende Spiegelteufe kann dann bevorzugt überwacht werden mithilfe
einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Spiegelteufe. Derartige Vorrichtungen
können beispielsweise mit einem Intervall von einer Minute arbeiten. Der Druck im
Bohrlochkopf und die Veränderung der Lage der Spiegelteufe werden als Funktion der
Zeit aufzeichnet.
[0034] Die Strömung der Gasblasen durch die Ölflüssigkeitssäulen hat einen erheblichen Effekt
auf den Öldruckgradienten im Ringraum. Um die Druckveränderungen in der gashaltigen
Ölflüssigkeitssäule festzustellen wird eine Annahme über den Gasblasenanteil in der
Ölsäule getroffen. Der Gasblasenanteil wird auch als Gas Void Fraction f
g bezeichnet. Dabei wird eine Beziehung eingesetzt, die die so genannte Leerrohrgeschwindigkeit
v
sg (Superficial gas velocity) zu dem Gasblasenanteil betrifft, siehe die folgende Gleichung
5. Die Konstanten C, D und E sind dabei empirisch ermittelte Werte (und liegen im
Bereich von 0,2 bis 2,0).
[0035] Es sollte betont werden, dass bei steigendem Druck die Menge an Öl und Gas, welche
in das Bohrloch eintritt, aufgrund des zunehmendes Gegendrucks innerhalb des Ringraums
abnimmt. Daher nimmt das Gas, welches in den ringförmigen Gasraum aus der Flüssigkeitssäule
hineinströmt, ab, wenn weniger Gas das Bohrloch betritt und weniger gelöstes Gas wird
aus der Ölsäule freigesetzt als Ergebnis, wenn der Druck ansteigt.
[0036] Um die Leerrohrgeschwindigkeit des Gases zu bestimmen wird eine Annahme über die
Flüssigkeit getroffen, welche in das Bohrloch nach dem Abschalten eintritt und wird
erhalten durch den Einsatz des Konzeptes des Produktivitätsindexes nach der folgenden
Gleichung 1 (Productivity Index, PI).
[0038] Dabei sind ρ
o und ρ
g die druckabhängigen Öl- und Gasdichten.
[0039] Der Gasblasenanteil wird danach verwendet, um den durchschnittlichen Druckgradienten
in der Flüssigkeitssäule zu bestimmen. Schließlich wird der Druck am Fuß des Bohrloches
bzw. an der Bohrlochsohle zu jedem Zeitschritt bestimmt, das bedeutet zu jeder Messung
der Lage der Spiegelteufe. Man erhält ihn aus dem Druck im Kopf des Bohrloches und
den Druckgradienten in den Gas- und Flüssigkeitssäulen. Die Reihe von Druckbestimmungen
an der Bohrlochsohle ergeben eine Kurve, die den Aufbau des Druckes wiedergibt.
[0040] Der beschriebene Vorgang wird für jede einzelne Bestimmung der Lage der Spiegelteufe
bei Übergangsbedingungen durchgeführt.
[0041] Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz der Bestimmung des Druckes in der Flüssigkeit
im Bohrloch bzw. an der Bohrlochsohle kann in verschiedenen Anwendungsfällen eingesetzt
werden, um den Betrieb einer Förderanlage zu verbessern.
[0042] So entsteht bei der Förderung von Rohöl ein Problem dann, wenn das Bohrloch unterhalb
des Kochpunktdruckes (auch als Druck beim Entgasungsbeginn oder Gasentlösungspunkt
bezeichnet) betrieben wird. Dies führt nämlich zum Entstehen von Blasen von freigesetztem
Gas, das in der Gesteinsformation bzw. Öllagerstätte auftritt. Die Gasblasen können
die Porenhälse blockieren und so die Durchlässigkeit für Öl (relative Ölpermeabilität)
herabsetzen. Dies führt zu einer reduzierten Förderrate und begrenzt die Gewinnung
von Rohöl. Dieser Effekt kann irreversibel sein. Es wäre daher sehr wünschenswert,
wenn man das Eintreten dieser Situation soweit wie möglich vermeiden könnte. Die kontinuierliche
Bestimmung des Fließdruckes an der Bohrlochsohle und das automatische Halten des Fließdruckes
an der Bohrlochsohle oberhalb des erwähnten Kochpunktdruckes ist daher von sehr großem
Vorteil. Dies wird möglich durch die Regelung der Lage der Spiegelteufe. Auf diese
Weise erhält man eine Lösung des Problems, die beschriebenen Nachteile können vermieden
werden.
[0043] Die Lage der Spiegelteufe kann dabei durch die Einstellung der Pumpleistung vorgenommen
werden.
[0044] Ein weiterer Einsatzfall ist die Optimierung von Laufzeiten und Abschaltzeiten von
Pumpen in Bohrlöchern, die bei intermittierender Förderung arbeiten.
[0045] Ölquellen, die bei niedrigen Förderraten arbeiten, beispielsweise in Gesteinsformationen
mit einer geringen Durchlässigkeit, werden häufig in einem intermittierenden Modus
betrieben. Dies bedeutet ein zyklisches Laufen und Abschalten. Dieser intermittierende
Modus wird auf Grund von mechanischen Grenzen der Pumpen unten im Bohrloch gewählt,
die nicht bei noch niedrigeren Laufgeschwindigkeiten zuverlässig oder wünschenswert
arbeiten.
[0046] Die Zeitintervalle dieser Lauf- und Abschaltperioden können optimiert werden. Dies
geschieht, indem man sie vom Druck an der Bohrlochsohle abhängig macht. Das vorgeschlagene
System kann somit eingesetzt werden, um automatisch die Startzeiten und Abschaltzeiten
von Pumpen im Bohrloch einzustellen, und zwar als eine Funktion des Druckes an der
Bohrlochsohle.
[0047] Auch eine Optimierung von Einschaltzeiten bei einem Testbetrieb von Ölquellen kann
erfolgen. Ein Druckübergangszustand beim Testen von Ölquellen wird häufig eingesetzt,
um die Eigenschaften des Ölreservoirs besser einschätzen zu können. Dabei ist ein
Druckaufbautest ein wichtiger derartiger Testtyp: Nachdem die Quelle für eine bestimmte
Zeitdauer gefördert hat, und zwar mit einer konstanten Förderrate, wird ein Druckaufbautest
durchgeführt, bei welchem aufgezeichnet wird, wie der Druck an der Bohrlochsohle nach
Abschalten der Pumpe reagiert. Meistens werden dabei Druckeinrichtungen unten im Bohrloch
eingesetzt, um diesen Druck an der Bohrlochsohle aufzuzeichnen. Wie oben bereits erwähnt
ist die Installation von derartigen Messgeräten und Sensoren unten im Bohrloch eine
kostspielige Angelegenheit und in vielen Fällen werden Drucksensoren eingesetzt, die
den Druck nur aufzeichnen. Ein erheblicher Nachteil von derartigen Sensoren, die nur
aufzeichnen, besteht darin, dass die aufgezeichneten Drücke an der Bohrlochsohle nicht
in Echtzeit zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass die Abstellperioden oft über
einen langen Zeitraum erstreckt werden müssen, um sicherzustellen, dass die Drücke
beim Einschalten an der Bohrlochsohle eine Stabilisierung erreichen, bevor das Druckmessgerät
wieder aus dem Bohrloch zurückgezogen wird. Das Anwenden des vorgeschlagenen Systems
mit der Bestimmung des Druckes an der Bohrlochsohle aus den Messungen der Spiegelteufe
in Echtzeit kann die unnötig langen Abstellperioden in solchen Fällen vermeiden. Insbesondere
kann dadurch der automatisch entstehende Verlust an Förderzeit und somit an geförderter
Menge ebenfalls vermieden werden.
[0048] Weiter bevorzugte Vorgehensweisen und Eigenschaften werden in den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Figurenbeschreibung angegeben.
[0049] Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und die
der Erfindung zugrunde liegende Situation in einem Bohrloch näher beschrieben. Es
zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochs mit an dem Bohrloch angeordneten
Mess- und Auswertungsvorrichtungen; und
Figur 2 eine schematische Darstellung von beispielhaft ermittelten Werten.
[0050] In der Figur 1 ist ein Bohrloch 10 dargestellt. Das Bohrloch 10 reicht von der Erdoberfläche
11 in die Tiefe bis zu einer Lagerstätte für beispielsweise Erdöl bzw. Rohöl 12. Das
Rohöl 12 bildet innerhalb des Bohrlochs 10 zusammen mit ggf. Wasser und weiteren Flüssigkeiten
ein Gemisch, welches durch eine Grenzschicht 13 von den sich darüber bildenden verschiedenen
Gasen und gasförmigen Medien 14 getrennt ist. Diese Gase sind u. a. Stickstoff, Argon
und andere Bestandteile der Atmosphäre und außerdem Methan und weitere sich oberhalb
des Rohöls 12 bildende Gase. Die Zusammensetzung schwankt im Laufe der Zeit und auch
mit der Tiefe des Bohrlochs 10.
[0051] Die genaue Lage der Grenzschicht 13 zwischen den flüssigen Stoffen mit dem Rohöl
12 und den gasförmigen Medien 14 bildet eine Spiegelteufe. Die genaue Lage dieser
Spiegelteufe 13 bzw. der Grenzschicht oder Flüssigkeitsoberfläche schwankt im Laufe
der Zeit abhängig davon, mit welcher Zustromrate das Rohöl 12 und weiteren Flüssigkeiten
in das Bohrloch 10 von der Seite und von unten eintreten.
[0052] Um das Rohöl 12 aus dem Bohrloch 10 an die Erdoberfläche 11 zu fördern, ist eine
Verrohrung oder Rohrleitung 20 vorgesehen. Diese vertikal im Bohrloch 10 verlaufende
Rohrleitung 20 besteht aus einem Innenrohr 21 und einem das Innenrohr konzentrisch
umgebenden und gleichzeitig die Rohrwandung bildenden Außenrohr 22. Durch das Innenrohr
21 wird das Rohöl 12 nach oben gefördert. Zwischen dem Innenrohr 21 und dem Außenrohr
22 wird ein Ringraum 23 gebildet. In dem Ringraum 23 wird der Druck ausgeglichen.
In dem Innenrohr 21 befindet sich also während des Fördervorgangs aufsteigendes Rohöl
12. In dem Ringraum 23 ist unterhalb der Spiegelteufe 13 ebenfalls Rohöl 12, oberhalb
befindet sich im wesentlichen Gas, das nach oben aufsteigt.
[0053] Unten im Bohrloch 10 ist eine Pumpe 30 dargestellt. Es kann sich beispielsweise um
eine elektrische Tauchkreiselpumpe oder eine Gestängetiefpumpe handeln, natürlich
handelt es sich unter Umständen auch um mehrere Pumpen, die in verschiedener Höhe
und auch in unterschiedlicher Form angeordnet sein können.
[0054] Weitere Elemente der Pumpenanlage, die zur schematisch angedeuteten Pumpe 30 gehören,
können sich auch oberhalb der Erdoberfläche 11 befinden und dort für den geregelten
Abtransport des geförderten Rohöls 12 sorgen, welcher durch das Innenrohr 21 der Rohrleitung
20 nach oben gefördert worden ist.
[0055] Diese Elemente oberhalb der Erdoberfläche 11, beispielsweise eine Rohrleitung 31
und weitere Einrichtungen, sind hier nur schematisch dargestellt.
[0056] Man sieht darüber hinaus eine Druckmesseinrichtung 41, die den Druck in dem oberhalb
der Erdoberfläche 11 befindlichen Kopf des Bohrlochs 10 misst.
[0057] Insbesondere befindet sich hier auch eine Vorrichtung 42 zur Erkennung der Lage der
Spiegelteufe in dem Bohrloch 10. Eine solche, insbesondere aus der
EP 2 169 179 B1 und der
US-A-8,902,704 bekannte Vorrichtung arbeitet (nicht dargestellt) mit einer Schwingungsabgabeeinrichtung,
die in das Bohrloch nach unten ein Schwingungssignal abgibt. Das Schwingungssignal
in Form von Druckwellen wird an der Grenzschicht 13 bzw. an der Spiegelteufe reflektiert
und dann in einer Messeinrichtung in der Vorrichtung wieder aufgefangen. Diese Messeinrichtung
besitzt einen Druckaufnehmer. Mit einer solchen Vorrichtung können anders als in früheren
Konzeptionen hoch präzise Angaben über die exakte Lage der Spiegelteufe bzw. der Oberfläche
der Flüssigkeit im Bohrloch 10 und der erwähnten Grenzschicht 13 getroffen werden.
[0058] Neben diesen Messeinrichtungen 41, 42 ist hier oberhalb der Erdoberfläche 11 auch
eine Steuerung 43 für die Pumpgeschwindigkeit der Pumpe 30 und der weiteren Elemente
vorgesehen, wobei hier zwischen den Messeinrichtungen 41, 42 und dieser Steuerung
43 eine entsprechende Verbindung vorliegt.
[0059] Weiter ist eine Auswertungseinrichtung 44 vorgesehen. Die Auswertungseinrichtung
44 erhält die Messwerte der Messeinrichtungen 41 und 42 betreffend die Lage der Spiegelteufe
13 im Bohrloch 10 und den Druck im Kopf des Bohrloches 10 und errechnet dadurch Steuerungswerte,
die sie an die Steuerung 43 zur Steuerung der Leistung der Pumpe 30 weitergibt.
[0060] Die Auswertungseinrichtung 44 arbeitet dabei unter Berücksichtigung der Gleichungen
1 bis 5 wie oben stehend beschrieben. Ihr können auch weitere Daten zugeführt werden
und sie erhält auch die Daten, die bei den Förderungstätigkeiten sonst anfallen, also
die Fördermengen, Zustromraten, etc.
[0061] Die Auswertungseinrichtung 44 kann also die Steuerung 43 so informieren, dass die
Lage der Spiegelteufe 13 möglichst konstant bleibt, wenn dieses wie bei vielen Anwendungsfällen
gewünscht wird. Es kann auch vermieden werden, dass der Druck in der Flüssigkeit unterhalb
der Spiegelteufe 13 unter den Kochpunktdruck fällt, so dass auch die dadurch bestehenden
Problemstellungen wie oben stehend erörtert vermieden werden können.
[0062] In der Figur 2 ist weiterhin dargestellt, wie sich die verschiedenen physikalischen
Werte und Daten verhalten können.
[0063] Eingezeichnet ist von links nach rechts eine Zeitskala mit verschiedenen beispielhaft
eingesetzten Daten, die in Tagen und Monaten angegeben sind und das Verhalten bestimmter
Werte während dieser Tage an einem Bohrloch beschreiben.
[0064] Nach oben ist aufgetragen einerseits der Druck in Hektopascal beziehungsweise in
Bar, und zwar in jeweils 100kPa entsprechend 1.000 Hektopascal, also aufsteigend von
0 bis 6.000 kPa entsprechend 60.000 Hektopascal.
[0065] Auf der rechten Seite ist eine Skala angegeben, die die Lage der Spiegelteufe innerhalb
des Bohrlochs in Metern unter der Erdoberfläche angibt.
[0066] In dem Diagramm sind nun drei Messwerte aufgetragen, nämlich als Linie a der gemessene
Druck, wenn tatsächlich ein Drucksensor im Bohrloch angeordnet wird, wie dies herkömmlich
erfolgen muss.
[0067] Die Linie b zeigt einen erfindungsgemäß berechneten Wert für den Druck in der Flüssigkeit
im Bohrloch.
[0068] Die Linie c schließlich zeigt die Lage der Spiegelteufe während der Messzeit, die
sich über ungefähr fünf Wochen erstreckt hat.
[0069] Während dieser Messungen sind bewusst einige Zustandsänderungen durchgeführt worden,
die sich dann auch bei den Messwerten entsprechend wiederspiegeln.
[0070] So ist mit (1) ein stabiler oder auch stationärer Zustand beschrieben worden, also
eine laufende Förderung.
[0071] Unter (2) ist dann ein Übergangszustand herbeigeführt worden und entsprechend dargestellt.
[0072] Dabei sieht man bei (3) verschiedene Spitzen, die sich auf Grund von Druckschwankungen
in der Rohrleitung oberhalb der Erdoberfläche ergeben haben.
[0073] Ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer Förderung eines Fluids in einem Bohrloch,
bei welchem in dem Bohrloch 10 bei Tiefbohrungen die Lage einer Spiegelteufe 13 erfasst
wird, eine Druckmessung des Druckes am Kopf des Bohrloches 10 vorgenommen wird, aus
dem gemessenen Druck am Kopf des Bohrloches 10 und der ermittelten Lage der Spiegelteufe
13 der Druck in der Flüssigkeit unterhalb der Spiegelteufe 13 im Bohrloch 10 bestimmt
wird, und die Bestimmung dieses Drucks zur Regelung der Leistung einer Fördereinrichtung
30 für die zu fördernde Flüssigkeit eingesetzt wird, der Druck an einer Bohrlochsohle
im Bohrloch 10 bestimmt wird und bei Förderbedingungen mit einem intermittierenden
Modus aus zyklischen Lauf- und Abschaltperioden eine automatische Einstellung der
Ausschalt- und Einschaltzeitpunkte der im Bohrloch 10 befindlichen Fördereinrichtung
30 als Funktion des Druckes an der Bohrlochsohle erfolgt, ergibt sich insbesondere
dadurch, dass zusätzlich zur Erkennung der Lage der Spiegelteufe 13 in dem Bohrloch
10 bei Tiefbohrungen an der Erdoberfläche 11 ein akustisches Ereignis gezielt stattfindet,
welches akustische Druckwellen erzeugt, dass die von dem Ereignis erzeugten Druckwellen
in dem Bohrloch 10 in die Tiefe laufen, dass die in das Bohrloch 10 laufenden Druckwellen
zumindest auch an der Spiegelteufe 13 reflektiert werden, dass an der Erdoberflache
11 aus dem Bohrloch 10 dorthin laufende Druckwellen aufgefangen werden und die Laufzeit
seit dem akustischen Ereignis gemessen werden, dass die aufgefangenen und gemessenen
Druckwellen ausgewertet werden und zusammen mit der zugehörigen Laufzeit auf die Lage
der Spiegelteufe 13 geschlossen wird, dass das akustische Ereignis Signalmuster mit
einem vorgegebenen, zeitlich veränderlichen Frequenzspektrum erzeugt, dass das Signalmuster
als Schwingungsereignis in das Bohrloch 10 abgestrahlt wird, in die Tiefe lauft und
reflektiert wird, dass an der Erdoberfläche 11 aus dem Bohrloch 10 stammende aufgefangene
Signale analysiert werden, dass aus den aufgefangenen Signalen bei der Analyse Schwingungsereignisse
herausgefiltert werden, die zu dem abgestrahlten Signalmuster korrelieren, und dass
aus den zu dem abgestrahlten Signalmuster korrelierenden Schwingungsereignissen unter
den aufgefangenen Signalen und der Laufzeit seit der Ausstrahlung des Signalmusters
auf die Lage der Spiegelteufe 13 geschlossen wird.
Bezugszeichenliste
[0074]
- 10
- Bohrloch
- 11
- Erdoberfläche
- 12
- Rohöl
- 13
- Grenzschicht
- 14
- gasförmige Medien
- 20
- Rohrleitung
- 21
- Innenrohr
- 22
- Außenrohr
- 23
- Ringraum
- 30
- Pumpe
- 31
- Rohrleitung oberhalb der Erdoberfläche 11
- 41
- Druckmesseinrichtung
- 42
- Vorrichtung zur Erkennung der Spiegelteufe
- 43
- Steuerung der Pumpe 30
- 44
- Auswertungseinrichtung
- P
- Dichte
- q
- Zuflussrate
- Bg
- Volumenfaktor der Gasformation
- fg
- Gasblasenanteil
- GOR
- Verhältnis von Gas zu Öl
- IPR
- Beziehung der Zuflussleistung
- ID
- innerer Durchmesser
- OD
- äußerer Durchmesser
- Pr
- Druck des Reservoirs
- Pwf
- Fließdruck an der Bohrlochsohle
- σ
- Grenzflächenspannung
- vsg
- Leerrohrgasgeschwindigkeit
- A
- Fläche
- CA
- Außenrohr (Casing)
- TU
- Innenrohr (Tubing)